综述 | AEM：土壤团聚体微生物群落：了解生物学相关尺度下微生物群落的相互作用
本文由沐秋编译，十九、江舜尧编辑。
原创微文，欢迎转发转载。
土壤含有大量的矿物质，水，营养物质，气体，植物根系，腐烂的有机物质和微生物，它们共同作用进行养分循环并维持陆地植物生长。大多数土壤微生物生活在与土壤团聚体密切相关的群落中，比如小的土壤团聚体（<2 mm）会结合矿物和有机碳簇，这些过程发生在土壤的机械破坏和淋溶中。它们的空间结构对于生物地球化学循环非常重要，我们不能通过单独研究非根际土壤对土壤生物活动和变异性进行可靠的预测。为了充分了解土壤中的生物地球化学过程，有必要了解微米尺度上土壤颗粒与其微生物成员之间发生的相互作用。这里，作者回顾了当前关于土壤团聚体微生物群落的知识概况。作者提出了一个框架，用于将团聚体群落理解为“微生物村落”，通过淋溶定期连接，期间可能会发生遗传物质，代谢物和病毒的转移。作者描述了用于研究这些群落的“自上而下”（整个群落）和“自下而上”（简化）策略。理解这一点需要结合“模型系统”方法（例如，开发人工模拟团聚体群落），自然群落的实地观察，以及更全面的包括未考虑在内的群落成员（如病毒）的群落互动研究。初步研究表明，基于团聚体的研究方法可以预测地球化学和群落相互作用如何控制土壤中微生物群落结构和养分循环。
论文ID
原名：Soil Aggregate Microbial Communities: Towards Understanding Microbiome Interactions at Biologically Relevant Scales
译名：土壤团聚体微生物群落：了解生物学相关尺度下微生物群落的相互作用
期刊：Applied and Environmental Microbiology
IF：4.701
发表时间：2019
通信作者：Dwayne A. Elias
通信作者单位：美国田纳西州橡树岭国家实验室
综述内容
土壤及其微生物群落形成食物网的营养基础，支持着地球上的陆地生命进行养分循环，以及支持初级生产者的生长，并提供元素产生和降解的循环途径。土壤微生物过程将死亡和腐烂的副产物从较高的营养水平转变为无机形式的碳、氮、磷和其他营养物质，这些营养物质驱动植物生长。基于土壤生产力与生物量紧密相关，因此土壤生产力可作为生态系统健康的代表。利用这些过程有助于满足日益增长的农业生产力和生态系统健康需求，但这首先需要对土壤微生物群的功能有更深的理解，包括土壤基质的物理、化学和建筑性质以及里面微生物的生活史特征。微生物群落结构-功能关系在不同尺度影响着地球化学循环。微米尺度上对土壤环境的空间组织研究有助于我们更好地了解土壤生物地球化学循环的控制。
在与微生物生物地球化学最相关的空间尺度上，土壤主要由微粒体（<250 µm）和大团聚体（0.25-2 mm）组成，前者结合土壤有机碳并保护其不受侵蚀的清除，后者限制氧扩散和调节水流。这在形成微生物相互作用方面尤为重要，因为微生物成员在团聚体结构内占据特殊的生态位，活性微生物生活在团聚体颗粒内和颗粒之间。这种空间相互作用对微生物种群之间的病毒传播也至关重要，通过诱导裂解和水平基因转移，预测病毒种群对微生物群落的结构、功能、稳定性和进化的影响。矿物学和生物学之间的复杂反馈从团聚体形成之时就已经有了，并在土壤的整个生命周期中持续，稳定了微观结构，推动了土壤基质中的地球化学循环。
本文回顾了关于土壤团聚体微生物群落的当前知识状况，并在团聚体尺度上深入了解土壤生态系统。我们提出了一个框架来理解团聚体群落是通过淋溶周期性连接的“微生物村”，允许遗传物质、代谢物和病毒的转移。采用自上而下和自下而上的策略研究这些群落，即那些从自然环境中分离出来的完整的微生物群落，以及人工创建的团聚体群落，用于假说检验。在单个团聚体水平上描述群落特征将有助于理解地质/地球化学和群落相互作用如何控制土壤中微生物群落结构和养分循环。
1. 土壤团聚体概述
土壤通常被视为一种复杂的三维结构，由挤压在一起的团聚体和孔隙组成（图1）。团聚体由矿物颗粒和有机碳组成，其中将颗粒聚集在团聚体中的力比团聚体内部的力强得多。在相邻团聚体之间，结构通过淋溶和非根际土壤的机械破坏而持续。这些团聚体按层次组合，形成颗粒和有洞的孔隙，这些颗粒和孔隙在湿润时周期性地连接在一起，从而形成水和营养物质的可变流动，可被土壤有机体获取。因此，特定土壤的结构会影响植物、微生物和土壤基质之间的相互作用。
土壤团聚体，分为微团聚体（<250 µm）和大团聚体（0.25-2 mm），由粘土、碳酸盐和其他风化岩石矿物颗粒结合在一起，通过静电相互作用和包壳有机物结合在一起。微粒体能够承受强大的机械和物理化学应力，使其在土壤中持续数十年。小的团聚体在真菌、根或衍生有机物的有机矿物复合物的作用下聚集成大团聚体。由此产生的通过团聚体和团聚体周围的有机质含量和水流通道的形状和大小，形成了大多数土壤中结构-功能关系的基本单位。
微团聚体和大团聚体的分布和相对丰度也会影响土壤的体积特性，包括有机碳含量、含水量和生态位可用性。团聚体的内部可以表现出不同于周围土壤的特性。例如，大团聚体的微探针分析显示，氧浓度在微米尺度的颗粒上呈现明显的梯度变化，这种不均匀的空间分布被认为与有机碳有关。这些小规模的生境在物理孔隙结构、连通性、地球化学和含水量方面可能有所不同，为微生物占据空间上的异质生态位。这反过来可能产生不同的微生物群落，这些微生物群落直接受到这些非生物因素的影响和塑造，从而产生不同的代谢活动。
大多数（90%）土壤细菌与大团聚体有关，大多数（70%）生活在微团聚体内。细胞之间往往会聚集在一起，而土壤微生物通常占据的有效土壤表面积不到1%。在团聚体形成过程中，一些细胞处于矿物基质中，而其他细胞则在随后的淋溶中聚集在团聚体外部。团聚体的多孔性和连通性受形成过程中细菌和真菌多样性的影响。由此产生的土壤结构反过来对生境和成员形成反馈，影响之后的微生物活动。
因此，团聚体是土壤生态系统的功能单元。微生物在这些尺度上的相互作用影响着土壤环境中的地球化学和元素循环。微生物之间的相互作用对地球化学循环具有非附加作用，因此对环境扰动的功能反应大于单个微生物部分的总和；分类群之间的协同或竞争性相互作用可以影响隔离生长的生物体的相对代谢功能。例如，微生物共培养比单培养中的同一物种更能有效地降解木质纤维素生物量，与组成单培养相比，共培养的降解效率增加了18倍。这一现象在对大量沉积物和实验室培养物的研究中广为人知，但对于群落成员相互作用如何驱动土壤聚集体等结构性环境中地球化学循环的细微差别知之甚少。单独研究松散土壤并不能很好地描述这些可变连接生态位的具体动态控制。
图1 土壤层和土壤宏观和微观团聚体的简化示意图。重要特性包括局部化学、表面积、团聚体内部和之间的孔径、表面粗糙度和连通性。
2. 团聚体结构对土壤群落的影响
迄今为止，对土壤微生物群落的研究大多集中在均质样品或单独培养的分离株上。由于地球化学和相邻微生物的副产物驱动的基因表达差异，细胞间的相互作用可以极大地改变群落代谢和营养循环。例如，发酵细菌和产甲烷古细菌之间的同营养关系使复杂的有机分子分解，并有助于土壤中的碳循环。一项宏基因组调查预测了土壤中广泛存在的氢化酶丰度，表明在同域微生物之间存在短周期的H2转移。为了发生同营养交换，细胞必须彼此密切接触，在相同的短距离内，地球化学环境会发生巨大的变化。从微生物的角度来看，这些相互作用发生的相关长度尺度比非根际土壤样本中观察到的要小得多。
团聚体不仅能稳定微生物成员，增强群落的相互作用，还可以通过空间限制改变群落功能和微生物性状。在团聚体结构中，团聚体间孔隙空间（即团聚体表面）的孔隙空间范围为10-30 µm，团聚体内为1-2 µm（表1）。土壤中气体和溶质的扩散取决于孔隙大小和体积，以及孔隙连通性和水饱和度。有效气体扩散系数随孔径的减小和饱和度的增大而迅速减小。在饱和土壤中，溶质扩散速率较高，但干旱条件可以有效地将孔隙中的微生物从溶解的营养物质或信号中分离出来。由于有效扩散率与多孔性和孔内几何结构直接相关，在微米尺度上，微生物信号分子的扩散传递受到严重限制。对于角蛋白敏感细菌来说，信号分子可以在团聚体中积累超过临界阈值，从而改变微生物的发病机制、生物膜能力、活性和次级代谢产物。因此，空间限制可以控制团聚体中的养分循环速率，伴随的微生物生命史特征和相互作用是理解土壤基质内代谢途径的关键。
表1 土壤颗粒与微生物相互作用相关的长度尺度
功能多样性也因团聚体结构而异。例如，氮循环的不同过程发生在土壤微观结构的不同部分。在2-20 µm的微粒体中，硝化菌最为丰富，活性最高，而固氮菌在<2 µm粘土中最为丰富。在干旱或环境胁迫下，硝化剂在大团聚体的内部持续存在，但在潮湿条件下，氧扩散梯度控制着单个大团聚体的硝化和反硝化速率，反硝化的开始取决于外部氧气的量以及团聚体颗粒的大小。这种代谢功能分配是否是其他土壤生物地球化学过程的共同特征，仍有待检验。
团聚体结构还控制着土壤的水文连通性。在干旱期将团聚体群内的群落彼此隔离，并允许在潮湿时运输溶质、代谢物、遗传物质和病毒颗粒，这对微生物群落影响深远。因此，团聚体内的群落可以充当自给自足的“微生物村”，间歇地连接营养交换和基因转移（图2）。在干旱期，每个团聚体群落可以在环境中独立运作，并通过来自寄居生物和溶解细胞的代谢副产物释放营养元素。可溶性碳在湿润时被激活，使代谢物和遗传物质能够在群落之间流动。
单独的土壤团聚体群落间的不连续连接性循环对土壤群落的生态学和演化影响可观。零碎的微生物群落的遗传多样性比同一混合规模的种群更大。此外，当土壤受到扰动时，整个团聚体可以转移，这可能有助于在此过程中不同群落之间的基因转移。
图2 （左）干旱条件和（右）湿润条件下分离的微团聚体和大团聚体的概念图。
3.土壤团聚体中的病毒
高病毒丰度长期以来引发了一种猜测，即病毒可能对土壤中的微生物种群施加比其他系统更大的控制。电子和表观荧光显微镜下的计数显示，土壤病毒密度约为107至109个病毒g-1（干重），高于海洋病毒密度。然而，关于土壤病毒生态学的基本问题仍然有待回答，以至于最近的土壤微生物生态学评论认为将病毒视为影响土壤微生物的最不重要的实体或其中最重要的一种。在土壤中，病毒颗粒与土壤成分的非特异性不可逆附着可导致失活，但最近开始在全球范围内对病毒进行分类的工作证实了其重要性。一项专注于解冻北极永久冻土土壤的研究发现了1907个病毒基因组，通过空间和时间追踪表明土壤病毒感染了关键的碳循环微生物，并具有不同的谱系特异性病毒-宿主比率，这表明沿解冻土壤的病毒胁迫存在梯度差异，甚至可以利用辅助代谢基因（AMGs；如糖苷水解酶）直接影响复杂碳降解为简单碳。同样，在海冰内的盐水通道中研究了病毒对空间受限的微生物群落的影响，其中细小的通道有助于提高病毒宿主接触率，限制细菌物种（如藻类）的进入，并有助于微生物的生长。类似的影响可能会塑造土壤群落，其中团聚体结构影响营养流动和病毒传播。
病毒可能是空间结构土壤团聚体系统微环境中细菌死亡率和生长率以及微生物群落组成的主要驱动力。有些土壤是由温和的病毒控制的，这些病毒使宿主溶酶原化，使其在长期的动态极端条件中持续存在。溶酶原促进了基因的横向转移，在宿主细胞之间交换遗传元素，增加了基因在群落中的流动。溶解/溶原性开关还代表对环境触发物的可调谐响应，这种响应可改变宿主种群，例如热带微生物群落中的温控噬菌体原诱导或南大洋中的生产力驱动的噬菌体原诱导。了解这些过程对土壤微环境的作用程度需要在团聚体水平上改进精细尺度测量技术，包括从海洋病毒研究中移植的病毒生态基因组工具的应用。
4. 支持团聚体作为土壤生态系统功能单元这一观点的研究
对土壤微生物生态系统的研究大多集中在非根际土壤上，但人们一直在努力从团聚体结构的尺度来描述微生物群落。这些研究普遍支持土壤团聚体代表了塑造土壤自然特性的相关长度尺度的观点。
Nunan等人使用落射荧光显微镜研究土壤中微生物的三维分布，是最先将大量土壤中细菌的空间分布映射到微米级的研究之一。在微米到毫米的距离上，微生物的不均匀分布最为明显，相比之下，大粒径尺度上的细菌细胞是随机分布的。这一差异解释了以往研究中在较大粒径尺度下的研究中所看到的“金块效应”，证实了土壤样本中相当大一部分的空间变异存在于亚毫米尺度上。研究表明土壤微生物副产物硝酸盐产量的空间异质性在亚毫米尺度上描述最佳。因此，作者得出结论，亚毫米空间尺度与形成微生物土壤生态系统的地球化学相互作用最为相关，并建议未来的研究针对那些较小粒级的尺度进行。
在对土壤团聚体与微生物群落相互作用的另一项早期研究中，研究了表层土壤以确定肥料制度和土壤粒级与微生物群落组成的关系。与大团聚体相对应的较小团聚体所含生物量比例更高，微生物多样性也更高。不同的优势类群与每个粒级有关，真菌在更大粒径尺度上占主导地位。此外，与添加到土壤样本中的有机改良剂相比，粒径对群落结构施加了更强的控制，再次表明预测土壤对外部扰动的响应时必须考虑结构-功能关系。
最近，Trivedi等人回顾了土壤团聚体、农业实践和土壤有机质之间的相互作用。将不同农业土壤处理的团聚体样品筛选成不同的粒径类别，并对团聚体粒径分布、土壤有机碳变化和微生物群落组成进行评估。团聚体粒度等级对土壤性质有显著影响，影响土壤的碳保留率和微生物群落组成。土壤有机碳的转化既受其与不同粒径级的相关性影响，也受土壤微生物群落的影响。作者得出的结论是，土壤团聚体对农业处理的反应对土壤的整体性质影响重大，在计划农业改良时应予以考虑。
Trivedi等人的报道表明土壤团聚体大小、微生物群落组成和生物地球化学对土壤有机碳循环的影响之间有着明确的关系，但筛选后的土壤组分不足以完全解决土壤生物地球化学过程中的结构性相互作用。Hansel等人分析了从原状土地球化学上不同层位收集的16S rRNA、功能基因和培养物。考虑了好氧和厌氧代谢，包括硫酸盐还原、硝化/反硝化和铁还原。碳的有效性、含水量和酸碱度随深度的变化而变化。据推测，在小粒径空间尺度上，团聚体内的厌氧微站点的功能多样性比基于体积特性的预期更大。这些结果强调，土壤的物理和化学不均匀性可以支持比基于大规模地球化学预期更复杂的群落。然而，本研究中的团聚体内部样本在分析前均化，因此并未保留不同群落成员的亚团聚体空间分布。
Ebrahimi和Or开发了一个模型，该模型考虑了团聚体粒径、土壤深度和资源剖面对反硝化作用和跨尺度碳利用率的影响。该模型预测了CO2和N2O的生物地球化学通量，与实验数据吻合。另一个模拟土壤呼吸作用的机械孔隙尺度模型，是利用X射线计算机断层扫描的孔隙结构数据参数化的，在有效含水饱和度为75%时，预测了原状土的最大有氧呼吸速率。最后，Rillig等人回顾了模拟土壤团聚体中微生物进化的挑战，其中“大规模并行培养箱”中分离的微生物种群可能具有不同于混合群落的进化轨迹。无论是通过对完整的团聚体群落的调查，还是使用假说驱动的控制变量试验，对地球化学通量、有氧和无氧群落的动态自组织、定殖率和瞬时无氧生态位的团聚体和孔隙大小控制的模型预测仍需进行经验测试。
5. 将团聚体群落与自然环境隔离的方法
如上所述，团聚体相关微生物种群是发展土壤群落动力学预测理解的核心。“自上而下”的方法是研究这些社区的一种关键方法，在这种方法中，完整的群落与单独的土壤聚集体隔离开来，以便完全回答以下问题：群落里有哪些成员，它们在做什么，以及它们如何与群落其他成员互动。对土壤团聚体的分析已经确定了不同团聚体大小的微生物群落结构的许多差异。必须保留细胞和土壤颗粒之间的原位空间关系和物理相互作用，以明确团聚体群落中有意义的联系。
为了分离团聚体，通常通过某种形式的筛选将土壤分为不同粒级。这可以在干燥或潮湿的条件下进行，但每种技术都会引入偏差。所选方法对样品的微生物群落、酶活性和地球化学有影响。土壤团聚体中的酶活性受分离方法的影响，例如，在不同水化状态下的筛选将获得微生物种群的不同部分。湿筛通常选择比干筛小的团聚体。干燥条件下的团聚体筛选反映了作用于经历了风蚀的干旱环境，而湿筛选回收的团聚体则代表经受了频繁的土壤淋溶。
6. 表征团聚体尺度群落的纳米技术
虽然排序方法可以揭示哪些有机体栖息在特定的土壤团聚体，但某些有机体定居在该空间的原因与团聚体的孔隙结构有关。聚集体中的孔隙结构对微生物所处的理化环境有着重要的影响。现代技术的进步使人们能够对土壤孔隙结构的2D和3D层次微观结构进行研究，并将这种结构与微生物活性联系起来。这些技术包括小角度中子散射（SANS）、超小角度中子散射（USANS）、聚焦离子束层析成像（FIB-T）、电子层析成像（ET）、原子探针层析成像（APT）、背散射扫描电子显微镜（BSEM）、X射线计算机层析成像（XCT）、压汞法(MIP)和物理气体吸附等，详见表2。
表2 用于测定团聚体理化特性的先进分析技术
7. 用于实验室研究的人造土壤团聚体
除了表征天然团聚体种群外，合成团聚体还被用来补充研究团聚体粒径尺度上群落的结构-功能关系。利用现有的技术，可以构建出反映天然团聚体表面特征、纹理和多孔性的人造团聚体。通过3D打印创建的微观环境允许在各种地球化学条件下对微生物活性进行控制测试，同时保持真实土壤的物理复杂性。此外，先进的材料沉积技术，如原子层沉积（ALD）或化学气相沉积（CVD），已被用于在聚合物表面覆盖无机材料，这些无机材料可通过化学处理调整表面化学。
3D打印技术可以研究与土壤团聚体群落相关的微生物群落的长度尺度。例如，Otten等人利用3D打印技术重建了以前由自然土壤的X射线CT扫描所确定的孔隙几何结构。印刷的微观世界支持真菌的定植模式，模拟了非根际土壤和自然裂缝的生长。微生物群落本身也使用水凝胶封装3D打印复杂的空间组织，其中细菌被封装在明胶、牛血清白蛋白和在激光照射下发展交叉连接的光敏分子的基质中。凝胶对细胞是不可渗透的，但允许化学物质自由扩散。然后将封装的细胞打印成复杂的三维结构。这项技术已证明金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌细胞在共培养中的结构排列对抗生素耐药性有显著影响。印刷体的人工微观结构仅受到印刷技术的特殊性的限制，而印刷技术正在不断改进以提供更佳效果。
微流体方法也被用来创建狭义的团聚体尺度上的地球化学环境，用于假设测试以精确控制流体在微米尺度上的运动。微流体环境对研究群落动力学十分有利。它们在与团聚体群落相关的尺度上提供了包括通过塑造或蚀刻形成的复杂拓扑结构在内的不同的结构和化学生境。流体流动和化学转运受到严格控制，但允许测试群落对不同流态的反应、限制和连通性的变化以及物理相互作用。透明材料克服了在不透明土壤中观察微生物群的困难。微流体模型的一个显著优点是，可以为每个实验创建相同的多孔网络，以便进行试验，以区分多孔网络内形成群落发展过程中随机和确定性过程的相对影响（图3）。为生物医学领域开发的微流体工具经过修改已经可以测试验证与土壤团聚体群落相关的某些特定假设。例如，模拟土壤空间结构和化学迁移的表面上生长的土壤微生物的合成群落表明，所定义的空间微结构对于稳定群落是必要的和足够的。此外，由于土壤模拟网络的形状是可控的，因此可以验证直接复制土壤模拟结构的计算模型，并将其用于探索参数空间、开发新的假设和确定实验优先级。
图3 实验室研究中可以采用微流体方法重现土壤特征。
8. 未来发展方向
现有技术能详细描述土壤微生物和群落的团聚体规模，但未来分离和描述个体和完整群落将需要克服一些技术挑战。例如在浓缩和分离过程中保持聚集体群落完整，对单个细胞和病毒的识别，通过筛选或微解剖技术减少偏差，保持团聚体中细胞之间的功能联系，以及使细胞、病毒、土壤颗粒和代谢物之间的关系合理化等等，以阐明生物地球化学的相互依赖性。现有技术的改进和新方法的发展应使人们能够对土壤中形成生物地球化学循环的微生物相互作用的预测性理解成为可能。
在理解聚合体群落中的结构-功能关系方面，还需要克服一些技术挑战。这一点已经通过研究单一土壤层内硝化和反硝化细菌的共定位来实现，其中氧梯度、孔径和水分利用率都有助于团聚体中的氮循环细菌在土壤中的分布和活性。然而，这种对天然团聚体样本中生物的研究却很少。人工构建的团聚体广泛应用于研究那些可能具有结构-功能关系的分离出来的微生物，可以解决自然群落功能分析固有的问题。结构共培养可以重建完整的功能网络，以便深入了解相互作用的生物体之间的碳和电子流。合成团聚体可以外源添加已知的混合物和调节前期研究中获得的微生物比例，从而测量这些关键因素的代谢特性。
新技术的开发和应用将有助于更深入、更全面地了解重要但未被研究的群落成员（如土壤病毒）的作用。迄今为止，技术挑战，包括土壤矿物的自发荧光、矿物颗粒的非特异性结合、病毒体积小以及病毒分离的方法有限等等，意味着即使是从大量沉积物中提取或定量测定，病毒也会增加。然而，最近在从土壤中捕获病毒样颗粒并对其进行测序，以及从土壤宏基因组中捕获的“病毒信号”方面取得了进展。了解溶血原的流行率对于模拟病毒对土壤群落的影响也是至关重要的。鉴于对土壤中病毒重要性的现有研究，后续的方进展将对理解土壤生态系统中病毒、微生物宿主和生物地球化学之间的相互作用至关重要，特别是团聚体尺度上的细菌与病毒间发生的相互作用。
结论
总之，影响土壤微生物群落地球化学循环的主要生物和非生物的相互作用在土壤团聚体群落尺度上容易发生。单凭体积研究无法分辨局部湿润和干旱环境的影响，也无法分辨团聚体内和团聚体间微生物之间的相互作用。“自上而下”的策略可以很好地从环境样本中描述完整的微小粒径和大粒径聚集体群落，而“自下而上”的方法可以很好地补充假设驱动研究中的地球化学环境中的结构化群落。未来对土壤生物地球化学的全面和预测性理解的研究应该集中在这一尺度的结构-功能关系上。未来很有必要开发和完善工具，将团聚体的物理性质与常驻微生物物种相关联，包括病毒通过水平基因转移和微生物种群控制对生物地球化学的影响。同时，对天然和人工团聚体群落的研究可以更清楚地揭示微生物与土壤过程和地球化学扰动相互作用。这使得人们对土壤循环有了更深入的了解，对水生物地球化学模型有了更全面的理解，从而推动土壤的有效利用。
你可能还喜欢